關(guān)于氣體渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理與解決不斷流問題

摘要:為了適應(yīng)市場的需求,在普通渦街的基礎(chǔ)上,研制出一種不斷流傳感頭可拆高溫型氣體渦街流量計(jì)。該流量計(jì)將漩渦檢測傳力桿與信號檢測傳感頭巧妙的隔開,且二者完全密閉隔離,使得信號檢測傳感頭的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介質(zhì)的實(shí)際溫度。既解決了測量高溫介質(zhì)的問題,又解決了普通渦街現(xiàn)場不斷流拆卸的問題。同時(shí)還節(jié)省了在重要場合安裝的備用旁路設(shè)施,降低了使用單位的前期成本。
引言
自20世紀(jì)60年代末開始研制氣體渦街流量計(jì)至今,人們已經(jīng)相繼開發(fā)出了多種類型阻擋體及漩渦檢測方法的氣體渦街流量計(jì),并在管道流量測量中得到了廣泛應(yīng)用。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,氣體渦街流量計(jì)的整體性能也在不斷地提高,并以其測量精度高、量程范圍寬、壓力損失小以及較高的性價(jià)比等特點(diǎn),越來越被廣大用戶所認(rèn)可。氣體渦街流量計(jì)也因此而躋身于通用流量計(jì)之列。
然而,隨著普通氣體渦街流量計(jì)使用量的增多,人們逐漸發(fā)現(xiàn),雖然它具有很多優(yōu)點(diǎn),但在使用過程中還是存在著諸如可測介質(zhì)溫度低(受信號檢測傳感頭材料限制,一般長期使用溫度低于350℃)、更換傳感器測頭麻煩、可靠性能差等使用上的局限性(。也正是因?yàn)槿绱?在重要的控制場合和測量高溫介質(zhì)的流量系統(tǒng)中,普通渦街還是一直不能夠被選用。為了解決普通渦街在使用上的局限性,技術(shù)人員憑借多年的制造和使用經(jīng)驗(yàn),在普通氣體渦街流量計(jì)的基礎(chǔ)上,研制開發(fā)出了一種不斷流傳感頭可拆高溫型氣體渦街流量計(jì)(后文簡稱為不斷流渦街)。該氣體渦街流量計(jì)將漩渦檢測傳力桿與信號檢測傳感頭通過隔離裝置巧妙地隔離。由于不斷流渦街的傳力桿與信號檢測傳感頭是完全密閉隔離的,使得信號檢測傳感頭的使用溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于被測介質(zhì)的實(shí)際溫度。這樣既解決了普通渦街不能在線不斷流更換以及維護(hù)信號檢測傳感頭的問題,又解決了普通渦街測量介質(zhì)溫度低的問題。
1不斷流渦街的結(jié)構(gòu)原理
不斷流渦街同樣是以卡門渦街原理為依據(jù)測量流體流速的,但不斷流渦街表體已經(jīng)在結(jié)構(gòu)上有了質(zhì)的改變。如圖1所示,它將普通渦街單一的信號檢測傳感頭改變?yōu)閭髁U與信號檢測傳感頭兩部分,并通過隔離裝置完全隔離。當(dāng)表體中流過流體并產(chǎn)生漩渦時(shí),由傳力桿檢測漩渦的變化,并以力的形式傳遞給信號檢測傳感頭,完成了力信號到電信號的轉(zhuǎn)換過程。雖然傳力桿與流體直接接觸,但其本身只是進(jìn)行力傳輸?shù)母軛U,因此,只對外形尺寸及鋼材選擇上具有要求。而信號檢測傳感頭是通過隔離裝置與流體完全密閉隔離的,再加上隔離裝置本身具有的散熱功能,使得信號檢測傳感頭的使用溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流體的實(shí)際溫度,從而有效地提高了普通信號檢測傳感頭的可測介質(zhì)溫度。同時(shí),不斷流渦街在進(jìn)行維修更換信號檢測傳感頭時(shí),并不影響工藝管道內(nèi)流體的流動(dòng),真正實(shí)現(xiàn)了信號檢測傳感頭的不斷流拆裝維護(hù)。

1.1表體結(jié)構(gòu)
各部件功能說明如下:
①阻流體。和普通氣體渦街流量計(jì)一樣,阻流體作為不斷流渦街的漩渦發(fā)生體,其外形尺寸與對應(yīng)口徑的普通型渦街阻流體在材質(zhì)及外形尺寸上完全相同。
②傳力桿。用于檢測流體流過阻流體后產(chǎn)生漩渦振動(dòng)頻率的傳感頭。
③信號檢測傳感頭。用于將振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電荷信號的傳感頭。
④隔離裝置。實(shí)現(xiàn)將表體內(nèi)流體與外界及信號檢測傳感頭隔離的裝置,同時(shí)還具有為信號檢測傳感頭散熱的功能。
1.2測t原理
由于不斷流渦街的阻流體與相同口徑普通氣體渦街流量計(jì)的阻流體在結(jié)構(gòu)和外形尺寸上是完全相同的(不同的只是漩渦頻率的檢測方法)。由卡門渦街原理可知,不斷流渦街漩渦頻率的計(jì)算方法與普通渦街完全相同。在不斷流渦街表體中設(shè)置阻流體(漩渦發(fā)生體),從阻流體兩側(cè)交替地產(chǎn)生有規(guī)則的漩渦,這種漩渦稱為卡門渦街,漩渦在阻擋體下游非對稱地排列。
根據(jù)卡門渦街原理,有如下關(guān)系式:

式中:m為漩渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面面積之比;D為表體通徑,~;d為漩渦發(fā)生體迎面寬度,~;f為漩渦的發(fā)生頻率,Hz;U:為漩渦發(fā)生體兩側(cè)平均流速,耐s;sr為斯特勞哈爾數(shù);U為被測介質(zhì)來流的平均速度,耐s。管道內(nèi)體積流量q。為:

式中:e為瞬時(shí)工況體積流量,m,h/。
在實(shí)際標(biāo)定過程中,相同口徑的不斷流渦街與普通氣體渦街流量計(jì)在可測流量范圍、基本誤差、重復(fù)性等參數(shù)上基本一致,達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用精度的要求。
2不斷流渦街實(shí)際檢定情況
分別用精度0.5級音速噴嘴氣體標(biāo)定裝置、精度0.2級稱重法水標(biāo)定裝置對DN50口徑的不斷流渦街進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定,其標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由表1和表2的實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)可知,在量程比大于1:10的情況下,用不斷流氣體渦街流量計(jì)測量氣體或液體介質(zhì)時(shí),基本誤差及重復(fù)性均能達(dá)到中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T9249一1999《渦街流量傳感器》[’1中所規(guī)定的精度要求。
3 實(shí)際使用過程中與普通氣體渦街流量計(jì)的、對比
3.1 可測流體溫度
普通氣體渦街流量計(jì)受表體結(jié)構(gòu)及信號傳感頭材料(壓電晶體)的限制,一般允許*高工作溫度為350℃,而長期使用溫度應(yīng)低于30℃,否則會大大縮短信號檢測傳感頭的使用壽命岡。而不斷流渦街由于獨(dú)特的隔離型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使信號檢測傳感頭與高溫流體介質(zhì)完全隔離,再加上隔離裝置本身具有散熱功能,使得信號檢測傳感頭的實(shí)際使用溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于流體溫度。
通過在大港石油420℃高溫過熱蒸汽主管道上近兩年的實(shí)際使用情況表明,將普通耐溫30℃的壓電式傳感頭用作不斷流渦街中的信號檢測傳感頭,不斷流渦街可在流體溫度高達(dá)420℃工藝管道上長期、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠的運(yùn)行。由此可見,這種傳感頭不斷流拆裝的隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將普通傳感頭的長期使用溫度提高了約120℃。
3.2 不斷流拆裝
圖2a為普通氣體渦街流量計(jì)的現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)示意圖。在重要的流量系統(tǒng)中,為了在流量儀表發(fā)生故障時(shí)不影響工藝過程,安裝普通氣體渦街流量計(jì)時(shí),一般需要同時(shí)安裝旁路系統(tǒng)。對流量計(jì)進(jìn)行維護(hù)時(shí),為了保證管道內(nèi)介質(zhì)的正常流動(dòng)而不影響工藝過程,將3#閥門打開后,關(guān)閉1禪閥門、2#閥門,再將渦街表體拆下,方可進(jìn)行傳感頭的拆裝更換。這樣既增加了工藝管線的旁路設(shè)施及泄漏點(diǎn),又增加了維護(hù)人員的工作量。
圖b為不斷流渦街的現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)示意圖。由于不斷流渦街具有不斷流拆裝信號檢測傳感頭的功能,所以并不需要在工藝管線中安裝繁瑣的旁路系統(tǒng)。當(dāng)不斷流渦街出現(xiàn)故障或信號檢測傳感頭損壞時(shí),不需要關(guān)閉閥門和拆卸表體,便可以直接對信號檢測傳感頭進(jìn)行檢修及拆裝維護(hù)。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了渦街信號檢測傳感頭的現(xiàn)場不斷流拆裝,而且還完全省卻了繁瑣的旁路設(shè)施。既簡化了工藝管線,又減少了維護(hù)人員的工作量

現(xiàn)場兩年多的實(shí)際運(yùn)行情況證明,安裝在藍(lán)星石化氣分裝置、余碳四裝置控制系統(tǒng)工藝管道上的不斷流渦街運(yùn)行穩(wěn)定可靠,維護(hù)簡單方便,完全能夠滿足現(xiàn)場控制精度及工藝流程的要求。同時(shí),由于省略了以往安裝流量儀表時(shí)所需的旁路設(shè)施,還為企業(yè)節(jié)省了大量的資金。
4 結(jié)束語
不斷流渦街不僅延續(xù)了普通渦街的全部優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于具有的不斷流拆裝信號傳感頭功能,所以去掉了以往流量儀表安裝時(shí)繁瑣的旁路設(shè)施,提高了可測介質(zhì)溫度(可長期工作在420℃高溫介質(zhì)的工藝管線上)。也正是融合了這些優(yōu)點(diǎn),不斷流渦街才徹底改變了普通渦街不能被應(yīng)用于重要控制系統(tǒng)的尷尬局面,*大地拓寬了氣體渦街流量計(jì)的適用范圍。從不斷流渦街的實(shí)際標(biāo)定情況及現(xiàn)場實(shí)際使用情況來看,它運(yùn)行穩(wěn)定可靠,完全能夠滿足工藝流程要求,因此可廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、蒸汽熱網(wǎng)計(jì)量以及其它重要控制系統(tǒng)的流量工藝管線中。

上一篇：關(guān)于氣體流量計(jì)測量原理及常見誤差分析

下一篇：高溫氣體流量計(jì)在冶金設(shè)備和自動(dòng)化開發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用